1、第 期(总第 期)年 月山西电子技术应用实践收稿日期:基金项目:年度河南科技大学大学生研究训练计划()作者简介:王 桐()男山东德州人本科生主要研究方向为嵌入式开发文章编号:()基于 的无人驾驶智能小车设计王 桐 刘果青 艾 彤 吴云飞 杨 志 高宏峰(河南科技大学信息工程学院河南 洛阳)摘 要:设计了一种基于 的无人驾驶智能小车 小车利用摄像头模块进行双黑线巡线以及红绿灯识别红绿灯识别通过设置相应颜色像素点的面积最小值使其可以在合适的位置停下 驱动部分采用位置式 算法控制 波的输出使小车巡线更加顺畅并且通过 模块传输数据使用户可通过手机或电脑进行实时监控关键词:位置式 算法红绿灯识别无人驾驶
2、中图分类号:.文献标识码:():.:引言随着近年来 技术不断发展人们对生活要求更加智能化 智能小车作为一种集合多种功能为一体的智能移动装置可应用于医疗、物流、农业等各领域提高了人们生活的智能化为人们创造出更加舒适的工作和生活环境 视觉模块作为智能小车的“眼睛”对于小车的运行尤为重要其综合了图像处理、光电等相关知识一个好的视觉模块能够使小车在复杂的环境下快速而准确地进行巡线与识别为了能使小车更好地检测道路信息本文设计了一种基于 的无人驾驶智能小车 小车利用 摄像头模块进行双黑线巡线以及红绿灯识别摄像头实时采集、更新行驶过程中的道路情况通过 摄像头处理后将信息传递给单片机若路径发生偏移由单片机通过
3、 算法控制 波的占空比进而控制电机实现差速使小车及时回归正常路径 小车在整个过程中通过 模块利用互联网技术使用户可以通过手机或电脑进行实时监控 系统工作流程本设计的系统总体框图如图 所示系统电源打开后首先进行初始化初始化完成后摄像头采集图像 模块开始传送数据 模块以热点的形式将信息传送给连接热点的电脑或手机 若想手动操控小车则用手机或电脑通过 模块对其进行手动操控若为自动驾驶则先进行红灯检测如果无红灯则运用算法拟合出中线然后将数据反馈给单片机根据 算法输出 波控制小车前进 年第 期王 桐等:基于 的无人驾驶智能小车设计图 系统总体框图 硬件设计在本设计的系统中主控采用的是 公司生产的 单片机感
4、光元件采用 模块采用与 摄像头配套的 扩展板电机驱动芯片采用 芯片供电采用.锂电池.摄像头道路数据的采集对小车的运行至关重要 本设计摄像头采用 可以自动曝光控制、自动白平衡、黑电平控制、闪烁避免和缺陷校正 它专为低光性能而设计可以产生清晰的数字图像并且其处理 灰度图和 彩色图像可以达到 保证了 模块进行图像传输时视频的流畅当分辨率低于 可以达到 可以快速地处理完图像.模块 图 所 示 为 模 块 电 路 模 块 采 用.电 源 供 电 其 采 用 了 认证的 模组 它可以使用高达 的速度传输视频流 专门针对低功耗 应用进行了优化并且完全集成了功率放大器、低噪声放大器、开关、电源管理和 天线于一
5、体 凭借无缝漫游能力和先进的安全性它可以与无线局域网中各种供应商的./接入点进行互操作图 模块电路我们可以通过 与 和单片机的 与 引脚进行连接 并且通过 模块我们可以传输 压缩图像到浏览器 当 模块连接到互联网时我们可以使用 的 网络接口通过 和 进行发送和接收数据的操作 软件设计软件算法主要包括图像导航算法、算法、人机交互.图像导航算法图像导航算法核心是 摄像头对图像的处理 摄像头在对采集到的图像进行处理时主要 采 用 二 值 化 处 理和 膨 胀 腐 蚀 处 理 摄像头从采集到的图像中提取出准确的路径需要设定一个阈值 这个阈值就相当于一个分割线将采集到的像素分割成两类即:大于阈值的像素和
6、小于阈值的像素 将小于阈值的像素定义为白色大于阈值的像素定义为黑色这就是二值化处理 而膨胀腐蚀是二值形态学中一对最基本的运算 膨胀是一种采用向量加法使边界向外部扩张的方法它可以将与边界线接触的全部背景点合并到边界线中使边界向外部扩张来填补边界线:被看作膨胀的对偶运算是腐蚀 腐蚀是一种通过向量减法消除边界点的方法它可以使边界向内部收缩它不仅可以用来消除无意义且小的点使得二值化图像减小还可以消除噪点从而减小图像处理的运算量本设计的图像导航算法流程图如图 所示开始先截取一张照片判断是否为红灯 若为红灯则通过判断红色像素点的总面积是否达到最小值从而判断小车是否到达合适的停车距离 若不是红色或者没有达到
7、面积最小值则对图片进行阈值切割对其进行膨胀腐蚀处理和二值化处理处理后图像如图 所示 然后运用 线性回归算法利用最小二乘法对图像中所有阈值像素进行线性回归计算计算出图像中阈值像素的斜率的中位数之后由霍夫变换得到该直线的两个参数距离偏差值和角度偏差值然后根据拟合度是否大于 判断拟合是否标准 拟合度是指直线的模其越大则说明线拟合得越好 最后根据距离偏差值和角度偏差值通过 算法计算出速度的输出值图 图像导航算法流程图图 处理后图像.算法电机驱动算法采用 算法框图如图 所示 是积分和微分比例应用于各种需要比例控制的设备中最常见的就是电机转动控制这里 是比例 是积分 是微分电机转动控制中主要分为位置式 和
8、增量式 我们所用的为位置式 算法公式如下:().()其中 为本次偏差为上一次的偏差为以及之前的偏差的累积和为输出由公式()可知比例部分只和当前的偏差 有关积分部分则是表示系统之前的所有偏差之和这正是体现出了位置式 控制算法的优点:控制器结构比较简单执行器的动作位置与其输入信号呈一一对应的关系参数的整定也较为明确 算法是通过控制输出的 信号来控制直流电机运行的 当小车转弯时由上面的图像导航算法得到距离偏差值 和角度偏差值 通过上述公式计算出输出的实际偏差值控制 信号的占空比然后小车左右两轮电机分别在期望值的基础上加减 信号进而实现左右车轮差速转弯从而保证小车顺利通过弯道图 算法框图.人机交互人机
9、交互部分核心是 模块我们所用的 模块共有两种模式:接入点模式和客户端模式 接入点模式是将 模块做为一个热点用手机或电脑连接热点即可看到小车运行的状况并对其进行控制因为接入点模式是一对一连接所以这种方式具有传输速度快传输稳定的特点而客户端模式则是将 模块和电脑或手机连接到同一个无线网中这种方式连接十分方便但当有多个手机与无线网连接时 模块传输数据会非常不稳定 两者相比较而言所以我们选用了接入点模式本设计的人机交互流程图如图 所示开始时先对 模块进行初始化并将其调为 模式(热点模式)即接入点模式 模块初始化后摄像头截取一张图片然后压缩图片给图片增加一个然后发送 和图片如此往复将摄像头获取的每一帧图
10、片发送至客户端由此实现图传图传完毕后则是判断是否接收到手动指令即 若接收到指令则进行 指令校验然后解析指令执行指令若没有手动指令则直接结束传输下一张图片图 人机交互流程图山 西 电 子 技 术 年第 期 年第 期王 桐等:基于 的无人驾驶智能小车设计 结束语本文设计了一种基于 的无人驾驶智能小车 本系统中在车体结构、图像处理算法、电机控制算法等方面提出了方案利用 摄像头模块快速地进行图像处理并将数据发送给单片机单片机将数据经过 算法处理输出 信号驱动电机实现小车的运转 通过对模拟无人驾驶智能小车的实现为初步构建智能汽车的模型与理论基础为无人驾驶技术提供更多的可能对无人驾驶智能小车的制作及无人驾
11、驶技术的模拟具有重要意义参考文献 何武剑邱浩峰曲晓坤等.智能小车发展应用研究.河南科技():.邓春兰应必仕银锦国等.的 打印小车系统研究.自动化与仪表():.沈中坤徐劲节.基于 视觉模块和 角度传感器的智慧寻路小车.电子制作():.刘天豪王国俊张凯璐.基于 无线图传技术的搜救机械狗设计.机械工程与自动化():.(上接第 页)安全设计.用户管理用户管理需实现对系统用户的全面管理包含但不局限于以下内容:帐号、密码、名称、岗位、部门等个人基本信息以及用户启用状态、绑定登录设备 地址、用户有效期等安全设定信息.权限管理权限管理主要是针对用户的菜单、角色、岗位等资源进行统一管理按角色及岗位进行分类授权实
12、现业务功能与用户的软绑定从而实现相关配置系统菜单操作权限按钮权限标识等的绑定.日志记录日志系统在系统开发中是非常重要的基本功能 日志记录可以根据每个用户从访问系统到退出系统整个过程中产生的所有行为并按照一定的要求展现出来 日志记录是系统后期排错系统优化系统 修复的重要依据 同时也是安全审计中必不可少的一项内容常见的日志记录包括登录日志、操作日志、接口调用、安全日志等 日志的内容包含用户标识、操作时间、来源、行为、结果、关联数据及资源等信息)登录日志详细记录用户登录、登出事件包含所有成功和失败事件登录失败包含密码错误、用户名错误等情况)操作日志详细记录用户页面操作、查询事件包含所有成功和失败事件
13、)针对所有核心功能、非核心业务模块的操作记录安全日志针对所有触发安全策略的操作记录安全日志)登录日志字段包含用户、事件、来源、类型(登录或登出)、结果和描述操作日志字段包含用户、事件、来源、类型(增、删、该、查)、模块、结果和描述安全日志字段包含用户、事件、来源、类型(增、删、该、查)、模块、是否核心功能、是否非常规业务、结果和描述 接口调用日志主要包含调用者、时间、参数、成功与否、描述等相关内容.数据监控数据监控主要体现在系统与数据库访问及连接管理上的综合监控 不但可以实现数据源连接的初始化(含最大连接数、超时时间、最小连接数等)同时实现了数据源监控、防火墙、应用监控、监控、会话监控等的综合
14、监控.服务监控服务监控目的是实现系统部署环境的、内存、服务器信息、虚拟机信息等的资源使用实时监控是系统开发及运维过程中必不可少的重要功能 结语根据国家相关政策文件要求结合各应急管理部门及企业实际生产环境情况建设高危企业安全生产风险监测预警系统将有效加强各级应急管理机构与各类生产经营单位的联系加强纵向与各级应急管理部门、横向与行业监管部门安全生产监管信息资源的互联共享有力提升安全监管效率降低监管成本提升监管效能 但随着相关政策及要求需更新系统设计理念以便更好地满足相关部门的安全监测要求在高危企业安全生产风险监测及预警领域取得更大的突破保障人民财产的安全参考文献 刘海滨李春贺.智慧矿山职业健康安全监管信息系统研究.煤炭科学技术():.贾东李鹿陈炜光等.基于 的数据监控与管理平台技术实现.信息技术与信息化():.
